[논문 리뷰] Probing the initial conditions of high-mass star formation. II. Fragmentation, stability, and chemistry

T. Pillai, Jens Kauffmann외 4명|arXiv (Cornell University)|2011. 04. 29.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 70인용 수 65

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 간섭계 관측을 통해 NH2D, NH3 및 먼지 연속분포를 분석하여 두 개의 고질량 프리프로토클러스터 영역(G29.96−0.02 및 G35.20−1.74)에서 냉각되고 밀도가 높은 기체를 조사한다. 이 결과로 핵들은 냉각 상태(<20 K), 고도로 디테르륨화된([NH2D/NH3] > 6%)이며, 비자기 상태(subvirial)임을 밝혀내어 중력 수축이 곧 발생할 가능성이 있음을 시사한다. 이러한 결과는 단일 구름 붕괴 모델을 도전하고, 개별 핵을 초월해 질량 저축이 존재하는 경쟁적 은하형성 시나리오를 지지한다.

ABSTRACT

We present a new high-resolution study of pre-protocluster regions in tracers exclusively probing the coldest and dense gas (NH_2D). The data are used to constrain the chemical, thermal, kinematic, and physical conditions (i.e., densities) in G29.96e and G35.20w. NH_3, NH_2D, and continuum emission were mapped using the VLA, and PdBI. In particular, NH_2D is a unique tracer of cold, precluster gas at high densities, while NH_3 traces both the cold and warm gas of modest-to-high densities. In G29.96e, Spitzer images reveal two massive filaments, one of them in extinction (infrared dark cloud). We observe very low line widths in NH_3 (FWHM &lt;1km/s). These multi-wavelength, high-resolution observations of high-mass pre-protocluster regions show that the target regions are characterized by (i) turbulent Jeans fragmentation of massive clumps into cores (from a Jeans analysis); (ii) cores and clumps that are "over-bound/subvirial", i.e. turbulence is too weak to support them against collapse, meaning that (iii) some models of monolithic cloud collapse are quantitatively inconsistent with data; (iv) accretion from the core onto a massive star, which can (for observed core sizes and velocities) be sustained by accretion of envelope material onto the core, suggesting that (similar to competitive accretion scenarios) the mass reservoir for star formation is not necessarily limited to the natal core; (v) high deuteration ratios ([NH_2D/NH_3]&gt;6%), which make the above discoveries possible; (vi) and the destruction of NH_2D toward embedded stars. [abridged]

연구 동기 및 목표

• 활성적인 고질량 항성 형성이 시작되기 이전의 프리프로토클러스터 영역에서 냉각되고 밀도가 높은 기체를 연구함으로써 고질량 항성 형성의 初기 조건을 조사하기 위해.
• 이 영역에서 관측된 분할, 운동학, 화학적 성질이 고질량 항성 형성의 이론적 모델과 일치하는지 확인하기 위해.
• 난류, 밀도, 디테르륨화 정도 등의 관측 제약 조건을 바탕으로 단일 구름 붕괴 모델의 타당성을 시험하기 위해.
• 고질량 항성의 질량 저축이 탄생 핵 내부에 국한되어 있는지, 또는 경쟁적 은하형성 모델에서처럼 주변 막대에까지 확장되어 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• PdBI 및 VLA를 사용하여 NH2D, NH3 및 먼지 연속분포에 대한 고각해상도 간섭계 관측을 수행하였다.
• 스피처 8 및 24 μm 영상은 적외선 어두운 구름(IRDCs)을 식별하고 임베디드 프로토항성 활동을 탐지하는 데 사용되었다.
• 디테르륨화 비율([NH2D/NH3])을 측정하여 냉각되고 밀도가 높은 기체를 추적하고 프리프로토클러스터 조건을 식별하였다.
• 지앙 분석을 적용하여 분할 안정성 평가 및 난류 지지력이 붕괴를 방지하는 데 충분한지 판단하였다.
• NH2D 및 NH3의 선폭(FWHM)에서 유도된 난류 및 비르발 파라미터를 계산하여 핵 안정성 평가를 하였다.
• 핵 크기, 속도 및 질량 저축을 사용하여 은하형성 시간 스케일을 추정함으로써 경쟁적 은하형성의 타당성을 시험하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고질량 프리프로토클러스터 영역에서의 물리적 및 화학적 조건(온도, 밀도, 디테르륨화)은 무엇인가?
• RQ2 거대한 필라멘트에서 관측된 분할 현상은 난류 지앙 분할과 일치하는가?
• RQ3 이 영역의 핵 및 덩어리들이 비르발 상태인지, 또는 비자기 상태인지(중력 불안정성 존재 여부)는 무엇인가?
• RQ4 고질량 항성으로의 은하형성은 핵 질량을 초월해 막대 물질에 의해 얼마나 오랫동안 지속될 수 있는가?
• RQ5 임베디드 프로토항성의 존재와 함께 NH2D 파괴는 어떤 관련이 있는가?

주요 결과

• 목표로 한 두 영역인 G29.96−0.02 및 G35.20−1.74는 온도 <20 K이고 밀도 >10^5 cm⁻³인 냉각되고 밀도가 높은 핵을 포함하고 있어 안정된 프리프로토클러스터 조건을 나타낸다.
• 높은 디테르륨화 비율([NH2D/NH3] > 6%)이 측정되어 냉각되고 안정된 기체 존재를 확인하고 프리프로토클러스터 물질을 정밀하게 추적할 수 있었다.
• NH2D 선폭은 매우 좁다(FWHM ≤ 1 km s⁻¹), 낮은 난류와 비자기 운동을 나타내며 핵들이 중력적으로 결속되어 있고 붕괴 경향이 있음을 시사한다.
• 핵 및 덩어리의 구조는 과도하게 결속되어 있음(Subvirial), 즉 난류가 중력 붕괴를 방지하는 데에는 충분하지 않음을 의미하며, 이는 단일 붕괴 모델과 정면 배치된다.
• 각 필라멘트에서 단 하나의 핵만 활성적인 고질량 항성 형성의 징후(마스터, 분출, 24 μm 복사)를 보였고, 나머지는 냉각되고 안정된 상태를 유지하고 있었다.
• 고질량 항성으로의 은하형성은 막대 물질에 의해 지속 가능하며, 질량 저축이 개별 핵을 초월해 확장된다는 경쟁적 은하형성 모델을 지지한다.